Самоорганизация при упорядочении хаоса и в хаотизации (разупорядочении) организованных состояний. Самоорганизация в сложных явлениях

Выше уже было показано, что мир делится на объекты с равновесной и неравновесной структурной организацией вещества, возникающие в результате процессов упорядочения хаоса в двух разных направлениях: пассивном и активном, т. е. в направлении организации (yr?; yG° < 0; E­) и самоорганизации (yr­; yG° < 0; E?). Признание такой парадигмы явилось следствием признания принципиальной обратимости всех процессов. В соответствии с этим и процесс упорядочения физического хаоса должен быть принципиально обратимым, что и наблюдается в процессах хаотизации (разупорядочения) упорядоченных состояний с переходом в состояние динамического хаоса, а затем к его самоорганизации и организации (рис. 6).

Учет такой обратимости обогащает наши представления о явлении самоорганизации и о сложных явлениях, где могут сочетаться и сопрягаться фундаментальные процессы организации и самоорганизации, а также процессы упорядочения хаоса и хаотизации упорядоченных состояний.

Из рис. 6 видно, что процесс самоорганизации возникает не только как одно из направлений упорядочения хаоса, но и как одно из направлений хаотизации упорядоченных состояний, причем в любом случае он характеризуется yr­ и E?. Видно также, что хаотизация упорядоченных состояний может быть «созидательной», направленной к yr­, потребляющей внешнюю энергию и «разрушительной», направленной к yr?, расходующей запасенную системой ранее внутреннюю энергию. Переход из состояния динамического хаоса возможен также в двух направлениях (как из физического хаоса) в сторону самоорганизации yr­ и организации yr? с затратой E? и выделением E­ энергии, соответственно.

Примером созидательной хаотизации является образование неравновесных состояний кристаллических катализаторов, активных для катализа, в результате модифицирующего воздействия внешних источников энергии при ионной и электронной бомбардировке их поверхности [58–59] и других способах создания нарушений решетки и диспергирования.

Аналогичным примером на социальном уровне является производительный труд, который, как показал С.А. Подолинский (1880), является главным средством абсолютного увеличения энергетического бюджета общества, обеспечивающего его процветание [60]. Другим примером могут быть приведены революция и трудовой энтузиазм масс народа, преобразующие с большой затратой труда, сил и энергии старый устоявшийся, но несправедливый мир в другой динамический и справедливый мир, что было в истории нашей страны после победы Октября и при строительстве социализма.

Рис. 6. Связь процессов самоорганизации — 1 и организации — 2 с упорядочением хаоса и хаотизацией упорядоченных состояний. Состояния: (1) — неравновесное упорядочение (самоорганизация); (2) — равновесное упорядочение (организация); (3) — хаос. А — физический хаос, Б — динамический хаос. Периоды: I — существование хаоса; II, IV — упорядочение хаоса; III — хаотизация упорядоченных состояний. (Созидательная хаотизация yr­; разрушительная хаотизация при yr?).

Примером разрушительной хаотизации могут служить процессы старения и смерти живых организмов. На социальном уровне таким примером является контрреволюционная «перестройка» Советского Союза с дезинтеграцией государства, уничтожением его экономики, военной мощи, науки, социального обеспечения народа при насаждении рыночной экономики, ростовщичества банков, спекуляции, воровства и других форм паразитирования, которые проедают накопленный в советское время потенциал. Такие действия С.А. Подолинский [60] характеризовал бы как расхищение энергетического бюджета общества, т. е. по своему результату как явление противоположное созидательному труду.

Все процессы, происходящие при самоорганизации и организации, при упорядочении хаоса и хаотизации упорядоченных состояний, совершаются в поле неравновесных событий и различаются лишь направленностью, вектором изменений степени неравновесия: yr­ — в процессах, идущих от равновесия к неравновесию, и yr? — в процессах, идущих от неравновесия к равновесию. В соответствии с этим возможно векторное описание сложных явлений, в которых происходит сочетание, сопряжение и взаимный переход этих процессов, что уже нашло отражение на рис. 1–4. Только при таком описании мы видим различия в физической сущности процессов организации и самоорганизации, составляющих сложное явление. При описании сложного явления в целом с помощью скалярных параметров и уравнений, касающихся в равной степени процессов самоорганизации и организации, специфика этих процессов утрачивается. Поэтому общие особенности сложного явления и их описания не составляют однозначных характеристик, определяющих процесс самоорганизации, в отличии от организации.

Среди таких общих для процессов самоорганизации и организации особенностей сложных явлений можно назвать:

· динамизм и связь с открытыми системами;

· нелинейность математических уравнений, описывающих процесс;

· иерархическая сложность явлений;

· фрактальность и самоподобие структур;

· образование аттракторов и странных аттракторов и т. д.

При самоорганизации все эти особенности имеют место, но определять самоорганизацию только по наличию таких свойств нельзя. Ибо различия между самоорганизацией и организацией лежат на уровне физической сущности этих процессов (yr­ и E? с одной стороны, либо yr? и E­ — с другой) и отсутствуют на уровне указанных свойств.

Так как синергетику принято считать наукой о самоорганизации, то очень важно точно определять понятие самоорганизации, связывая его с физической сутью явления. Поэтому можно считать более чем неудачными появившееся в последнее время определения синергетики (особенно в связи с развитием ее математических школ), основанные на общих признаках сложных систем. Синергетика это — теория открытых систем; — нелинейная динамика; — динамическая иерархичность; рождение порядка из хаоса; — проявление принципов подобия и фрактальности; появление странных аттракторов и т. д.

По каждому из этих признаков можно привести доказательства неоднозначности определения. Как показано в эволюционном катализе, в неравновесных открытых системах осуществляются сопряженно и процессы yr­ и yr? эти оба альтернативных процесса осуществляются в динамике, есть различие лишь в существовании во времени образовавшихся объектов (см. рис. 3); оба процесса yr­ и yr? описываются системами нелинейных уравнений; самоорганизацию только с нелинейным миром связывать нельзя, так как в простейших случаях (например, в тепловых конвекционных ячейках Бенара) самоорганизация описывается линейными уравнениями; упорядочение хаоса имеет два направления, причем самоорганизация — только одно из них; принципы подобия и фрактальность проявляются и в yr­ и yr? странный аттрактор Э. Лоренца как некий математический образ области притяжения траекторий движения, создающей динамическую структуру един, в то время как реально мы имеем разные аттракторы на процессах упорядочения хаоса при yr­ и yr? (см. рис. 2) и на процессах хаотизации упорядоченных состояний (созидательной и разрушительной) (см. рис. 6) и т. д.

Приведенный в статье и в [45], [57] материал по самоорганизации и саморазвитию континуальной самоорганизации индивидуальных (микроскопических) ЭОКС представляет собой пример сложной системы, в которой сочетаются и сопрягаются процессы yr­ и yr?, и в которой процессы самоорганизации и эволюции осуществляются за счет энергии базисной реакции, идущей к равновесию (yr?). При этом благодаря разделению процессов самоорганизации и организации по их физической сущности удалось установить не только суть самоорганизации, но и причины, движущие силы и механизм прогрессивной эволюции.

В сложных системах, рассматриваемых в ряде работ ([34], [37], [40], [50] и др.) с позиций описания общих свойств, пока установлены общие свойства (динамизм, нелинейность, сложная иерархичность, фрактальность, наличие странных аттракторов и пр.) и предстоит еще выявить на общем фоне проявления самоорганизации по критериям направленности изменений yr и потоков энергии. Это нетрудно сделать в любом случае.

Например, известно явление медленного установления химического равновесия в макроскопических системах. Химики и практики знают, что реакции в макроскопических объемах сначала идут быстро, а после превращения основного количества, реагирующих веществ, приближение к равновесию происходит очень медленно. Однако не всем известно, что процесс установления химического равновесия вблизи равновесия идет не путем плавного приближения к нему, что следует из тривиального объяснения указанного факта концентрационной зависимостью скорости реакции, а путем поступательно–возвратных колебаний прямой и обратной реакций относительно положения равновесия. С.Г. Терешкова [61], [64] обнаружила, что такие колебания происходят с постоянным для каждой реакции периодом (~60 мин) при постепенном уменьшении в каждой фазе колебаний амплитуды на –90% и энтальпии реакции на –10% по сравнению со средним ее значением в равновесии. Колебания ею были обнаружены калориметрическим методом на примере реакции дегидратации кристаллогидратов фосфатов, образования сульфидов меди из элементов, окисления монооксида углерода кислородом, восстановления оксидов металлов водородом и метаном, т. е. являются некоторой общей особенностью протекания реакций вблизи равновесия, которую автор назвала [64] «законом нелинейной опосредованной обратимости химических реакций».

Учитывая, что в индивидуальных химических актах (ЭХС) превращение компонентов реакции идет до конца, т. е. со 100% глубиной превращения, а наблюдающиеся в макросистеме глубины превращения являются статистическим усреднением элементарных процессов, обнаруженный эффект затухающих колебаний прямой и обратной реакции

А « С (37)

можно объяснить сопряжением процессов организации yr?, освобождающих энергию (прямой процесс), с процессом самоорганизации yr­ идущим против равновесия и поглощающим часть освобожденной энергии (обратный процесс). Такой механизм имеет место в каждой фазе колебаний процесса (37). Однако с учетом экспериментально найденной 90% глубины превращения в каждой фазе колебаний для этого нужно, чтобы суммарная энергия Q, каждых 9–ти химических актов прямой реакции использовалась на осуществление одного акта обратной реакции. Статистическое усреднение эффекта такого сопряжения в макрообъеме и приведет к 10% глубине превращения в обратной реакции и к наблюдаемой 90% глубине превращения в прямой реакции. Во второй фазе произойдет то же самое и останется 1% исходных веществ и т. д. Постепенное приближение колебательного процесса (37) к равновесию можно представить в поле чередующихся неравновесных процессов с изменением степени неравновесия yr, как чередование процессов, имеющих разную векторную направленность (yr­ и yr?), в виде затухающей спирали (рис. 7). Этот же процесс можно представить в виде двух аттракторов; равновесного и затухающего неравновесного, стремящихся в одну точку.

Рис. 7. Процесс затухающих колебаний прямой и обратной реакции (37) при приближении к равновесию (точка Р) в поле неравновесных процессов с изменением степеней неравновесия yr, имеющих направпенность yr­ и yr?.

Режим автоколебаний прямой и обратной реакции (37) возникает при приближении к равновесию. Это происходит за счет автоколебаний процессов организации (yr?) и самоорганизации (yr­) в поле неравновесных состояний при частичном использовании энергии процесса yr? на процесс самоорганизации yr­ с r = 10%. Рассмотренный пример и его объяснение представляет интерес еще и в том отношении, что показывает возможность проявлений самоорганизации и вблизи равновесия, а не только вдали, как это постулировалось Пригожиным. Это свидетельствует о более широком распространении явления самоорганизации и более широких условиях его возникновения, чем предполагалось ранее, но при не примененных его физических критериях (yr­; Е?; yG° > 0).

Число подобных примеров анализа сложных явлений с выделением фундаментальных процессов самоорганизации по их физическим критериям (yr­; Е?; yG° > 0) можно было бы значительно увеличить, но не позволяет объем статьи.

Среди наиболее сложных и наиболее важных не только для науки, но и для существования человеческой цивилизации в будущем, систем, основанных на явлениях самоорганизации и прогрессивной эволюции, может быть названа неравновесная открытая система: человечество и биосфера (человечество и природа). Судьба этой системы находится под угрозой надвигающейся глобальной экологической катастрофы. О причинах этой катастрофы, ее природе и возможных путях ее предотвращения должен быть специальный разговор и у нас здесь. Тем более, что единственный шанс спасения связан с наукой о самоорганизации и прогрессивной эволюции, с успехами ее развития и практического использования (см. [65]). Интерес к этой проблеме огромен. Появляются все новые и новые работы, анализирующие и рассматривающие проблему [39], [66], [69]. Однако нельзя забывать тем, кто ищет все новые и новые пути выхода из надвигающейся катастрофы, что в естественной истории материального мира, к которой относятся и проблемы системы: человек–природа, в глобальном эволюционном процессе существует только один выход, предотвращающий катастрофу. Он связан со следованием общим для всей природы законам самоорганизации и прогрессивной эволюции и он чужд произволу дурной «свободной воли» человека. Эти законы нужно изучать и использовать и не тратить оставшееся время зря.